高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)原則，要求和程序

3.2 完成功能

高頻電源變壓器完成功能有3個(gè)：功率傳送，電壓變換和絕緣隔離。功率傳送有兩種方式。第一種是變壓器功率的傳送方式，加在原繞組上的電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應(yīng)電壓，從而使電功率從原邊傳送到副邊。在功率傳送過(guò)程中，磁芯又分為磁通單方向變化和雙方向變化兩種工作模式。單方向變化工作模式，磁通密度從最大值Bm變化到剩余磁通密度B_r，或者從B_r變化到B_m。磁通密度變化值ΔB=B_m－B_r。為了提高ΔB，希望B_m大，B_r小。雙方向變化工作模式磁通度從＋B_m變化到－B_m，或者從－B_m變化到＋B_m。磁通密度變化值ΔB=2B_m，為了提高ΔB，希望B_m大，但不要求B_r小，不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式，變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)。第二種是電感器功率傳送方式，原繞組輸入的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái)，然后通過(guò)去磁使副繞組感應(yīng)電壓，變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率決定于電感磁芯儲(chǔ)能，而儲(chǔ)能又決定于原繞組的電感。電感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)，磁導(dǎo)率高，電感量大，儲(chǔ)能多，而不直接與磁通密度有關(guān)。雖然功率傳送方式不同，要求的磁芯參數(shù)不一樣，但是在高頻電源變壓器設(shè)計(jì)中，磁芯的材料和參數(shù)的選擇仍然是設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。在電源變壓器“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，很遺憾缺少這一個(gè)主要內(nèi)容。只是在“交流損耗”一條中，提出B_AC典型值為0.04～0.075T。顯然，文中的高頻電源變壓器是采用電感功率傳送方式，為什么不提磁導(dǎo)率，而提B_AC弄不清楚。經(jīng)查閱，在《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1/2期，同一主要作者寫(xiě)的開(kāi)關(guān)電源“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中，列出了“磁芯的選擇”，也沒(méi)有提磁導(dǎo)率，只是提出最大磁通密度B_m為0.275T。由于沒(méi)有畫(huà)磁通密度變化波形，弄不清楚前文中的B_AC和后文中的B_m是否一致：為什么B_AC和B_m相差6.8～3.7倍？更不清楚，選的是哪一種軟磁鐵氧體材料？為什么選這種型號(hào)？?jī)晌闹卸紱](méi)有一點(diǎn)說(shuō)明，只好讓讀者自己去猜想了。

電壓變換通過(guò)原邊和副邊繞組匝數(shù)比來(lái)完成。不管功率傳送是哪一種方式，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比，只要不改變?cè)褦?shù)比，就不影響電壓變換。但是，繞組匝數(shù)與高頻電源變壓器的漏感有關(guān)。漏感大小與原繞組匝數(shù)的平方成正比。有趣的是，漏感能不能規(guī)定一個(gè)數(shù)值？《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年第6期同時(shí)刊登的兩篇文章有著不同的說(shuō)法。“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中說(shuō)：“對(duì)于一符合絕緣及安全標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級(jí)開(kāi)路時(shí)初級(jí)電感量的1％～3％”。“辨析”一文中說(shuō)：“在很多技術(shù)單上，標(biāo)注著漏感=1％的磁化電感或漏感2％的磁化電感等類似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫(xiě)法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè)。電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求，對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制。在制作變壓器的過(guò)程中，應(yīng)在不使變壓器的其他參數(shù)（如匝間電容等）變差的情況下盡可能減小漏感值，而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求”。“否則這將表明你不理解漏感知識(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值”。雖然兩篇文章說(shuō)法不一樣，但是有一點(diǎn)是共同的，就是盡可能減小漏感值。因?yàn)槁└兄荡?，?chǔ)存的能量也大，在電源開(kāi)關(guān)過(guò)程中突然釋放，會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，增加開(kāi)關(guān)器件承受的電壓峰值，對(duì)絕緣不利，也產(chǎn)生附加損耗和電磁干擾。

絕緣隔離通過(guò)原邊和副邊繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來(lái)完成。為了保證繞組之間的絕緣，必須增加兩個(gè)繞組之間的距離，從而降低繞組間的耦合程度，使漏感增大。還有，原繞組一般為高壓繞組，匝數(shù)不能太少，否則，匝間或者層間電壓相差大，會(huì)引起局部短路。這樣，匝數(shù)有下限，使漏感也有下限?？傊?，在高頻電源變壓器絕緣結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要統(tǒng)籌考慮漏感和絕緣強(qiáng)度問(wèn)題。

3.3 提高效率

提高效率是對(duì)電源和電子設(shè)備的普遍要求。雖然從單個(gè)高頻電源變壓器來(lái)看，損耗不大。例如，100VA高頻電源變壓器，效率為98％時(shí)，損耗只有2W，并不多。但是成十萬(wàn)個(gè)，成百萬(wàn)個(gè)高頻電源變壓器，總損耗可能達(dá)到上100kW，甚至上MW。還有，許多高頻電源變壓器一直長(zhǎng)期運(yùn)行，年總損耗相當(dāng)可觀，有可能達(dá)到上10GW·h。這樣，提高高頻電源變壓器效率，可以節(jié)約電力。節(jié)約電力后，可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放CO₂，SO₂，NO_x，廢氣，廢水，煙塵和灰渣，減少對(duì)環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源，又具有環(huán)境保護(hù)的雙重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高效率是高頻電源變壓器一個(gè)主要的設(shè)計(jì)要求，一般效率要提高到95％以上，損耗要減少到5％以下。高頻電源變壓器損耗包括磁芯損耗（鐵損）和繞組損耗（銅損）。有人關(guān)心變壓器的鐵損和銅損的比例。這個(gè)比例是隨變壓器的工作頻率發(fā)生變化的。如果變壓器的外加電壓不變，工作頻率越低，繞組匝數(shù)越多，銅損越大。因此在50Hz工頻下，銅損遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鐵損。例如：50Hz，100kVAS9型三相油浸式硅鋼電力變壓器，銅損為鐵損的5倍左右。50Hz，100kVASH11型三相油浸式非晶合金電力變壓器，銅損為鐵損的20倍左右。并不存在“辨析”一文中所說(shuō)那樣，工頻變壓器從熱穩(wěn)定熱均勻角度出發(fā)，把銅損等于鐵損作為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則。隨著工作頻率升高，繞組匝數(shù)減少，雖然由于趨表效應(yīng)和鄰近效應(yīng)存在而使繞組損耗增加，但是總的趨勢(shì)是銅損隨著工作頻率升高而下降。而鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗，隨著工作頻率升高而迅速增大。在某一段工作頻率，有可能出現(xiàn)銅損和鐵損相等的情況，超過(guò)這一段工作頻率，鐵損就大于銅損。造成鐵損不等于銅損的原因，也并不象“辨析”一文中所說(shuō)那樣是由于“高頻變壓器采用非常細(xì)的漆包線作為繞組”。導(dǎo)線粗細(xì)的選擇，雖然受趨表效應(yīng)影響，但主要由高頻電源變壓器的傳送功率來(lái)決定，與工作頻率不存在直接關(guān)系。而且，選用非常細(xì)的漆包線作為繞組，反而會(huì)增加銅損，延緩銅損的下降趨勢(shì)。說(shuō)不定在設(shè)計(jì)選定的工作頻率下，還有可能出現(xiàn)銅損等于鐵損的情況。根據(jù)有的資料介紹，中小功率高頻電源變壓器的工作頻率在100kHz左右，鐵損已經(jīng)大于銅損，而成為高頻電源變壓器損耗的主要部分。

正因?yàn)殍F損是高頻電源變壓器損耗的主要部分，因此根據(jù)鐵損選擇磁芯材料是高頻電源變壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。鐵損也成為評(píng)價(jià)軟磁芯材料的一個(gè)主要參數(shù)。鐵損與磁芯的工作磁通密度工作頻率有關(guān)，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí)，必須說(shuō)明在什么工作磁通密度下和在什么工作頻率下?lián)p耗。用符號(hào)表示時(shí)，也必須標(biāo)明P_B/f〔式中工作磁通密度B的單位是T（特斯拉），工作頻率f的單位是Hz（赫芝）〕。例如，P_0.5/400表示工作磁通密度為0.5T，工作頻率為400Hz時(shí)的損耗。又例如，P_0.1/100k表示工作磁通密度為0.1T，工作頻率為100kHz時(shí)的損耗。鐵損還與工作溫度有關(guān)，在介紹軟磁磁芯材料鐵損時(shí)，必須指明它的工作溫度，特別是軟磁鐵氧體材料，對(duì)溫度變化比較敏感，在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中都要列出25℃至100℃的鐵損。

軟磁材料的飽和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限，常常是鐵損限制了工作磁通密度的上限。所以，在新的電源變壓器用軟磁鐵氧體材料分類標(biāo)準(zhǔn)中，把允許的工作磁通密度和工作頻率乘積B×f，作為材料的性能因子，并說(shuō)明在性能因子條件下允許的損耗值。新的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)性能因子把軟磁鐵氧體材料分為PW1，PW2，PW3，PW4，PW5等5類，性能因子越高的，工作頻率越高，極限頻率也越高。例如，PW3類軟磁鐵氧體材料，工作頻率為100kHz，極限頻率為300kHz，性能因子B×f為10000mT×kHz，即在100mT（0.1T）和100kHz下，100℃時(shí)損耗a級(jí)≤300kW/m（300mW/cm³），b級(jí)≤150kW/m³（150mW/cm³）。日本TDK公司生產(chǎn)的PC44型軟磁鐵氧體材料達(dá)到PW3a級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到PW3b級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中提出高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯在100kHz時(shí)的損耗應(yīng)低于50mW/cm³，沒(méi)指明是選哪一類軟磁鐵氧體材料，也沒(méi)說(shuō)明損耗對(duì)應(yīng)的工作磁通密度。讀者只好去猜：損耗對(duì)應(yīng)的工作磁通密度是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年6期“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的B_AC典型值0.04～0.075T？還是《電源技術(shù)應(yīng)用》2003年1/2期“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”一文中的B_m值0.237T？不管是0.075T，還是0.237T？要達(dá)到100kHz下鐵損低于50mW/cm³的鐵氧體材料是非常先進(jìn)的。請(qǐng)介紹一下是哪家公司哪種型號(hào)產(chǎn)品，以便讀者也去購(gòu)買(mǎi)。

在某一段工作頻率下，高頻電源變壓器的繞組損耗（銅損）與鐵損相接近時(shí)，例如，銅損/鐵損=100％～25％范圍內(nèi)，銅損也不能忽視，也應(yīng)當(dāng)考慮采取措施來(lái)減少銅損。由于原繞組和副繞組承擔(dān)的功率相近，往往在設(shè)計(jì)中取原繞組的銅損等于副繞組的銅損，以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，這并不象“辨析”一文中所說(shuō)的那樣：“只是工頻變壓器設(shè)計(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，”對(duì)一定工作頻率下高頻電源變壓器設(shè)計(jì)也適用。不能只強(qiáng)調(diào)依靠溫升來(lái)設(shè)計(jì)高頻電源變壓器，由于熱阻不容易準(zhǔn)確確定，設(shè)計(jì)計(jì)算相當(dāng)麻煩。因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，有時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先推薦一些原則和數(shù)據(jù)是必要的。同樣，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)不同工作頻率，不同功率的高頻電源變壓器推薦不同的繞組電流密度，也是必要的，但不限于某一個(gè)電流密度值，例如，2A/mm²～3A/mm²。應(yīng)當(dāng)看到：實(shí)現(xiàn)高頻電源變壓器設(shè)計(jì)要求的方法并不限于一種，應(yīng)當(dāng)允許進(jìn)行多種多樣的探索。“你走你的陽(yáng)關(guān)道，我走我的獨(dú)木橋”。為什么一定要按你指定的道路走，才不是“錯(cuò)誤概念”呢？

3.4 降低成本

降低成本是高頻電源變壓器的一個(gè)主要設(shè)計(jì)要求，有時(shí)甚至是決定性的要求。高頻電源變壓器作為一種產(chǎn)品，和其他商品一樣，都面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)容包括性能和成本兩個(gè)方面，缺一不可。不注意降低成本，往往會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。

高頻電源變壓器的成本包括材料成本，制造成本和管理成本。設(shè)計(jì)是高頻電源變壓器降低成本的主要手段。高頻電源變壓器所用的材料和零部件的貴賤和數(shù)量的多少？是否方便采購(gòu)？是否要備有多少庫(kù)存量？磁芯，線圈和總體結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝復(fù)雜還是簡(jiǎn)單？需要人工占的比例多大（實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化，可以減少人工工時(shí)，更能保證產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量）？是否需要工模具？質(zhì)量控制中需要檢測(cè)的工序和參數(shù)：哪些參數(shù)要在加工過(guò)程中檢測(cè)？哪些參數(shù)要在出廠試驗(yàn)中檢測(cè)（出廠試驗(yàn)的參數(shù)應(yīng)選擇能決定性能的關(guān)鍵參數(shù)，數(shù)量不要多，以便能即時(shí)判斷產(chǎn)品質(zhì)量。）？哪些參數(shù)要在型式試驗(yàn)中檢測(cè)？要用什么檢測(cè)儀器和設(shè)備，價(jià)格如何？等等，都是由設(shè)計(jì)來(lái)決定的。因此，高頻電源變壓器的設(shè)計(jì)者除了要了解高頻電源變壓器的理論和設(shè)計(jì)方法而外，還要了解各種軟磁材料和磁芯的性能和價(jià)格，各種電磁線的性能和價(jià)格，各種絕緣材料的性能和價(jià)格；還要了解磁芯加工熱處理工藝，線圈繞制和絕緣處理工藝及變壓器組裝工藝；還要了解實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測(cè)參數(shù)和儀器設(shè)備；還要了解生產(chǎn)管理的基本知識(shí)以及高頻電源變壓器的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)等等。只有知識(shí)全面的設(shè)計(jì)者，才能設(shè)計(jì)出性能好，成本低的高頻電源變壓器產(chǎn)品。